Kuperinlaytechnik Hochstrom und Steuerung auf einer Leiterplatte

Wegen der unterschiedlichen thermomechanischen Belastung der Materialien ist es noch immer eine Herausforderung, die Stromführung und die elektronische Steuerung auf einer Leiterplatte zu vereinen. Becker & Müller hat ein neues Verfahren vorgestellt, mit dem das sehr wohl funktioniert.

Der Steinacher Leiterplattenhersteller Becker & Müller setzt auf die Kupfer-Inlaytechnik und kann auf diese Weise den Leistungsteil mit hohen Strömen und groben, großen Strukturen und den Ansteuerteil mit niedrigen Strömen und feinen Strukturen auf einer Leiterplatte umsetzen - ohne dass sich beide »Bereiche« beeinflussen. »Dadurch lassen sich Material, Platz und Bauteile sparen«, schildert Xaver Müller, Geschäftsführer von Becker & Müller. Eine Hochstromleiterplatte kann zusätzliche Signalelemente enthalten und mechanische Verbindungen durch Kabel, Steckkontakte oder ähnliches können entfallen. Und überall da, wo hohe Ströme fließen, kann die Wärme über die 'dicken' Kupferinlays besser und schneller abgeleitet werden. »Solche Applikationen fragen unsere Kunden immer stärker nach«, so Müller. »Mit unserem Verfahren sind Leiterplatten mit integrierten Netzteilen, die hohe Ströme führen müssen und Stromstärken bis 800 oder 1000 Ampère möglich. « Becker & Müller setzt das Verfahren mit bevorzugt 1000 µm Dicke um. Möglich wäre das Verfahren aber mit bis zu ca. 4000 µm dicken Kupfereinlegern.

Kupfer wird normalerweise mit Dicken von bis zu 105 µm auf oder in Leiterplatten verarbeitet. Die im Betrieb entstandene Wärme lässt sich von den Leiterplatten effektiv oft nur mit großvolumigen Kühlkörpern ableiten. Um thermomechanisch bedingten Verformungen vorzubeugen, müssen die Leiterplatten in den Gehäusen oft aufwendig mit stabilen Halterungen und Wärmeabfuhrelementen montiert werden. »Mit unserem neuen verfahren laminieren wir in eine mehrschichtige Leiterplatte mit mindestens zwei voneinander beabstandeten Leiterebenen mechanisch verstärkende und leitfähige Medien, beispielsweise Kupfer in Dicken von bis zu 400 µm, ein«, beschreibt Michael Becker, Geschäftsführer von Becker & Müller. »Sie bilden in vorbestimmten Abschnitten gleichzeitig elektrische Leiterbahnen. Diese sind dem elektrischen Layout der Leiterplatte zugeordnet und können auch Wärme abführen. Auf diese Weise lassen sich die elektrischen und thermomechanischen Eigenschaften des Einlagematerials gleichzeitig nutzen.«  

Für den Hochstrom gibt es zwar noch weitere Alternativen, beispielsweise Wirelaid, aber der Leiterplattenhersteller hat sich nach verschiedenen Untersuchungen ganz bewusst für die neue Einlegetechnik mit Kupfer entschieden. »Wir können damit die meisten Anwendungen und Marktanforderungen abdecken«, bekräftigt Becker. In Sonderfällen gibt es neben Kupfer noch die billigere Möglichkeit, Aluminium für die Wärmeableitung zu nehmen, wenn aber auch die elektrischen Eigenschaften entscheiden, ist laut Müller Kupfer das Material der Wahl.
Solche Kupferinlays kann man bei Multilayer-Leiterplatten in die Zwischenlagen einbringen oder direkt auf der Leiterplattenoberfläche in passend gefräste Vertiefungen einlegen. Bei Kupfereinlegern, die an die Leiterplattenoberfläche designed werden, können Bauteile beispielsweise direkt auf die Kupfereinleger bzw. Leiterplattenoberfläche aufgelötet werden und benötigen - je nach Design - keine oder zumindest weniger Wärmeabführung durch spezielle Kühlelemente, das Produktgehäuse oder andere aufwendige Vorkehrungen.